馬 倩，李紅兵

(中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000)

流量與溫度、壓力一樣，是化工生產(chǎn)過程的重要參數(shù)[1]。在核燃料元件制造過程中，氣體流量計(jì)主要用于鈾化工轉(zhuǎn)化、粉末冶金、環(huán)境監(jiān)測、焊接等重要工藝，環(huán)境監(jiān)測所用的大氣采樣器、粉塵采樣器都涉及氣體流量的計(jì)量問題[2]。

氣體流量檢定裝置主要有活塞式、皂膜式和鐘罩式，中核建中核燃料元件有限公司(以下簡稱建中公司)于1987年研制了采用傳統(tǒng)排氣法建立的0.5級鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要用于壓力損失小于2 kPa的0.1～30 m3/h氣體浮子流量計(jì)的檢定。該裝置鐘罩體已使用30年，對于公司工作壓力損失100 kPa左右的氣體浮子流量計(jì)無法開展檢定，建中公司每年都有大量流量計(jì)外送檢定。

進(jìn)氣法是氣體由氣源經(jīng)過流量計(jì)流入鐘罩式氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置。使經(jīng)過處理的高壓氣體流經(jīng)被檢流量計(jì)后進(jìn)入鐘罩，鐘罩上升后容積增加，其增加的容積值與流量計(jì)的指示值進(jìn)行比較，從而達(dá)到檢測高壓損氣體流量計(jì)的目的。國內(nèi)計(jì)量檢定單位廣泛將鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為氣體流量計(jì)量的基準(zhǔn)裝置，該裝置技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、操作簡便、檢定數(shù)據(jù)可靠且造價(jià)不高[3]。因此，結(jié)合光電編碼器位移測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)，開展進(jìn)氣法鐘罩式小流量氣體流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制完全可行，可以滿足建中公司鈾化工生產(chǎn)線小流量氣體流量計(jì)的檢定需求。

1 進(jìn)氣法校準(zhǔn)流程

進(jìn)氣法校準(zhǔn)流程如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣法校準(zhǔn)流程圖Fig.1 The flow chart of the intake calibration

由圖1可知：氣體流量校準(zhǔn)裝置主要包括氣源工作系統(tǒng)、鐘罩系統(tǒng)、檢定工作臺系統(tǒng)，由鐘罩、液槽、壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、氣源和實(shí)驗(yàn)管道等部分組成，并帶有計(jì)時(shí)器、光電編碼器，計(jì)算機(jī)處理和控制系統(tǒng)及其他附屬設(shè)備組成，以實(shí)現(xiàn)自動檢測的功能。進(jìn)氣法校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 進(jìn)氣法校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the air inlet method calibration device

2 進(jìn)氣法校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 氣源工作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為解決公司工作壓力損失100 kPa左右的氣體浮子流量計(jì)檢定的問題，氣源工作系統(tǒng)采用進(jìn)氣法，通過對壓縮空氣過濾、恒溫及恒壓獲得穩(wěn)定的高壓氣源，滿足用于檢定壓損大的氣體浮子流量計(jì)，最大工作壓力可達(dá)0.3 MPa。

進(jìn)氣法氣源工作系統(tǒng)主要包含：干燥器、恒溫裝置、穩(wěn)壓容器等，作用是對氣源壓縮空氣進(jìn)行干燥、恒溫、穩(wěn)壓，保證檢定用氣體達(dá)到流量計(jì)檢定條件要求后，再流入流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)。

2.1.1 恒溫氣源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

恒溫氣源系統(tǒng)由恒溫槽、溫度變送器等組成。通過軟件設(shè)定溫度值，通過恒溫槽上溫度變送器上傳的示值調(diào)整恒溫槽溫度?？刂茰囟确秶?～100 ℃，功率9.0 kW。當(dāng)氣體經(jīng)冷凍式壓縮空氣干燥機(jī)溫度下降后，采用電熱管加熱的方法對氣體加熱。溫度測量用數(shù)字溫度自動采集系統(tǒng)配合四線PTD鉑電阻(Pt100)來實(shí)現(xiàn)，被測溫度的測量是通過檢測電阻值的變化來實(shí)現(xiàn)，控溫精度為±0.2 ℃。

2.1.2 穩(wěn)壓氣源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣源采用壓縮空氣，壓力為0.6～0.8 MPa。將穩(wěn)定氣源通過恒溫系統(tǒng)輸入到儲氣罐中，儲氣罐上裝有溫度變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)控罐內(nèi)溫度。進(jìn)氣法檢定裝置在儲氣罐出氣口加裝壓力調(diào)節(jié)閥，保證經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)后的氣體壓力穩(wěn)定，且不隨上游輕微的壓力變化而產(chǎn)生波動。

2.2 高精度鐘罩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

依據(jù)JJG 165—2005[4]，采用尺寸檢定法對鐘罩進(jìn)行標(biāo)定，運(yùn)用光電編碼器位移測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)對鐘罩位移的測量。鐘罩制造時(shí)采用0.1級的鐘罩技術(shù)和工藝，確保鐘罩的線性度及桶壁的掛水量達(dá)到0.2級。

2.2.1 鐘罩筒體設(shè)計(jì)

鐘罩給出的標(biāo)準(zhǔn)體積是鐘罩內(nèi)腔與密封液面形成的容積，鐘罩內(nèi)表面的加工質(zhì)量是鐘罩裝置最主要的基礎(chǔ)保障。采用304不銹鋼板材，經(jīng)滾壓焊接成型，內(nèi)外表面經(jīng)機(jī)械拋光，具有較強(qiáng)的剛度，耐腐蝕，幾何圓柱度高，上下均勻，吊裝環(huán)經(jīng)調(diào)試在鐘罩質(zhì)心同軸線，確保鐘罩升降平穩(wěn)。提高鐘罩筒體表面光潔度的同時(shí)減少密封液的掛壁量。

2.2.2 壓力波動控制設(shè)計(jì)

采用曲線補(bǔ)償機(jī)構(gòu)及補(bǔ)償砝碼實(shí)現(xiàn)，使鐘罩內(nèi)部的氣體壓力保持相對恒定，不隨鐘罩上下移動而變化，實(shí)現(xiàn)氣體小流量的高精度測量。

2.2.3 鐘罩上升高度限位

裝置上安裝機(jī)械限位開關(guān)，對鐘罩上升高度進(jìn)行限位，提高了限位可靠性。同時(shí)軟件設(shè)置最高脈沖數(shù)進(jìn)行高度限位保護(hù)。

2.3 檢定工作臺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

三套標(biāo)準(zhǔn)裝置共用一套檢定臺，采用垂直安裝檢定管線布局，由管道、夾表器、變送器、閥門、短接、不銹鋼臺體組成，側(cè)板和背板采用有機(jī)玻璃板，厚度≥10 mm。夾表器為氣動夾表器，并在氣源前端配有氣動二聯(lián)件，可調(diào)節(jié)夾緊力度。

2.4 室內(nèi)空氣換氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)備主機(jī)安裝在吊頂內(nèi)，采用單向流新風(fēng)系統(tǒng)將室內(nèi)有害氣體與微塵通過排風(fēng)管道排到室外。

2.5 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)優(yōu)化檢定流程，降低人員操作難度，提高工作效率。

檢定系統(tǒng)是在Win7環(huán)境下，采用“上位機(jī)+下位機(jī)”的控制方案。上位機(jī)采用工控機(jī)通過VB軟件開發(fā)人機(jī)界面，要完成人機(jī)界面管理、檢定過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫管理、記錄打印等功能。下位機(jī)采用PLC作為自動化系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)裝置檢定時(shí)間記錄、流量計(jì)信號采集以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制等功能。控制器設(shè)計(jì)算機(jī)通信接口，可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)。建立三套流量標(biāo)準(zhǔn)器集中自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小流量氣體流量計(jì)的全自動檢定。其自動控制流程如圖3所示。

圖3 自動控制流程圖Fig.3 The process of the automatic control

3 校準(zhǔn)裝置不確定度評定[6-8]

鐘罩內(nèi)表壓力為3 750 Pa，浮子流量計(jì)前表壓為5 000 Pa，大氣壓為97 460 Pa，室溫為20.6 ℃。選取50 L鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。被檢編號為5212，型號為DK800-6F型，測量范圍為0.3～3 L/min的4.0級氣體浮子流量計(jì)。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度分析

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表Table 1 The list of standard uncertainty components

3.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量相互獨(dú)立不相關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.3 擴(kuò)展不確定度

取置信概率P=95%，k=2，則：

Urel=uc·kp=0.46%

4 校準(zhǔn)裝置重復(fù)性試驗(yàn)

根據(jù)JJF 1033—2016[9]，對鐘罩式小流量氣體流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。對3 L/min流量點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)10次的測量，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為(%)：-2.8、-2.8、-2.9、-3.2、-2.9、-2.8、-3.0、-3.1、-3.0、-3.1。

重復(fù)性sn小于uc的2/3，滿足計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具考核要求。

5 校準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)JJF 1033—2016，對鐘罩式小流量氣體流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行考核。對3 L/min流量點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)10次的測量，穩(wěn)定性考核數(shù)據(jù)見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性考核表Table 2 Stability assessment of the standard device

穩(wěn)定性小于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，滿足計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具考核要求。

6 比對實(shí)驗(yàn)

采用傳遞比較法。對3 L/min流量點(diǎn)，經(jīng)中國測試技術(shù)研究院檢定，其結(jié)果與本裝置檢定結(jié)果比對數(shù)據(jù)見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)裝置比對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表(單位：%)Table 3 Data ofthe comparison test for the standard device(Unit：%)

U0≤Urel/3，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具不確定度的驗(yàn)證滿足|y-y0|≤Urel，滿足計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具考核要求。

7 使用中安全注意事項(xiàng)

進(jìn)氣法氣源壓縮空氣壓力為0.6～0.8 MPa，較高的操作壓力要求裝置每周維護(hù)保養(yǎng)需確認(rèn)：各試驗(yàn)管道的密封性，確保無泄漏；鐘罩筒體有足夠的密封液；穩(wěn)壓罐安全閥和壓力表的正常有效等。檢定時(shí)，氣體流量計(jì)安裝后，應(yīng)緩慢打開進(jìn)氣閥，避免較高壓力的氣體逸出。拆卸時(shí)應(yīng)先關(guān)閉氣源，打開旁通閥后再拆卸氣體流量計(jì)，避免殘余帶壓氣體對氣體流量計(jì)損壞。緊急情況，如出現(xiàn)連接管沖開的情況，應(yīng)立即關(guān)閉氣體閥門，重新更換新管箍安裝連接器。

8 結(jié)論

新研制的鐘罩式小流量氣體流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置，3 L/min流量點(diǎn)不確定度Urel=0.46%(k=2)，重復(fù)性、穩(wěn)定性試驗(yàn)以及比對實(shí)驗(yàn)等均符合計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核要求，適用于工作壓力較高或壓力損失較大的氣體流量計(jì)的正壓檢定；采用計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小流量氣體流量計(jì)全過程自動檢定，提高工作效率；建立的三套0.5級鐘罩式氣體流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置，可開展對1.5級及以下氣體浮子流量計(jì)的檢定工作，明確設(shè)備使用安全注意事項(xiàng)，確保建中公司鈾化工生產(chǎn)線小流量氣體流量計(jì)的檢定安全可靠。